Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под это определение подпадают как органические, так и неорганические материалы. Однако стекла, используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.

СВОЙСТВА

Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами. При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА

Сырьевые материалы. Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал - стекло. Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок - это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла - бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Типы стекол. Кварцевое стекло. Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

Натриево-силикатные стекла. Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на СТЕКЛО900° С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.

Известковые стекла. Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты - оксиды Na2O, CaO и SiO2, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

Свинцовые стекла. Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие - щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии - двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

ХРУСТАЛЬНАЯ ВАЗА, декорированная золотом (Милан, 16 в.).

Боросиликатные стекла. Стекла с высоким содержанием SiO2, низким - щелочного металла и значительным - оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма "Корнинг гласс уоркс" начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием "пирекс". В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта "пирекс".

Другие стекла. Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них - алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.

Варка. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени - от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

СТЕКЛОВАРЕННАЯ ПЕЧЬ (Богемия).

В древние времена варка производилась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5-7 см. В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.

Переработка в изделия. В отношении переработки в изделия стекло отличается от большинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим и полужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться за короткие периоды, длящиеся от нескольких секунд до, самое большее, нескольких минут, - за это время стекло охлаждается до состояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето. В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто в длинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным в него инструментом в виде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется с металлом, отдельные части сложного изделия соединяются друг с другом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки с постоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига со стадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. За все время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

РАБОТА С ГОРЯЧЕЙ СТЕКЛОМАССОЙ (Мурано, Италия).

Последние достижения. В разработке средств механизации для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в 20 в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела. В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С тех пор стекло стало производиться многими предприятиями и нашло применение буквально в тысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают к требованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

СТЕКЛЯННАЯ ПИРАМИДА (Лувр).

Плоское стекло. В течение и сразу после Первой мировой войны были разработаны новые и полностью непрерывные методы изготовления как оконного, так и зеркального стекла. В 1928 было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки с высоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность в несколько раз и дает продукт с исключительно высокими гибкостью и стойкостью к истиранию и всем видам механического и теплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается не на длинные, острые осколки, как обычное стекло, а на маленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении не только плоского стекла, но и кухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты, - сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным и осушенным воздухом. По сравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% и надолго избавляют от проблем, связанных с применением наружного оконного переплета, проникновением пыли и конденсацией влаги.

Стеновые стеклоблоки. Производство стеновых стеклоблоков и стекловолокна началось в 1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны и изготовляются сваркой двух прессованных полублоков с образованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов и материалов. Получаемые из них "стены дневного света" пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, но уменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию и практически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.

Стекловолокно. В отличие от бытового стекла стекловолокно обычно изготавливается в форме нитей диаметром меньше 1 мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, в объеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко и негорюче. Оно не поглощает влаги, не гниет и не подвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- и коррозионностойко, а также не проводит электричества. Из стекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки и корд. Из несколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой. В такой форме стекловолокно - отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна в сочетании с асбестом, слюдой, пластмассами и силиконами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных в сложный полиэфир или другую матрицу, по прочности на единицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний и титан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов и ракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла в композиционных материалах.

Специальное кварцевое стекло. В 1939 был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт по своим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако он может производиться дешевле и с большим разнообразием форм и размеров. Стойкость к термоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева до точки размягчения его можно сразу же опустить в холодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием в середине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных и бактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.

Пеностекло. Пеностекло - еще один продукт изобретательности стеклоделов - по структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает. В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины, пористой резины и капка. Как и пробка, пеностекло - отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425° С, поскольку оно не только не горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема и может использоваться при температуре до 1200° С.

Металлизация. На поверхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что к металлическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- и электротехнической промышленности.

Проводящие покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких - боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели - хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда.

Электротехнические изделия. Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.

Светочувствительные стекла. В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Скажем, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см2. Стекла этого типа используются для изготовления световых табло, именных табличек и декоративных плиток, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

Стеклокерамика. Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой "Корнинг гласс уоркс" под зарегистрированными торговыми названиями "пирокерамика" и "фотокерамика". Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов - прессования, выдувания или прокатки - изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см3 изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой. В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки - главное достижение в технологии стекла.

См. также

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ;

КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.

ЛИТЕРАТУРА

Стекло. М., 1973 Химическая технология стекла и ситаллов. М., 1983 Мазурин О.В. и др. Стекло: природа и строение. Л., 1985

Составить слова из слова стекло

СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ - СТЕКЛО́ НЕОРГАНИ́ЧЕСКОЕ, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка (см. БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) отсутствует дальний порядок (см. ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) в расположении частиц.

В современном понимании понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое особое стеклообразное состояние твердого тела. Стекло - это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях.

В стеклообразное состояние можно перевести вещества различной природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы - галогенидные, нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко могут быть получены и многие органические вещества (см. СТЕКЛО ОРГАНИЧЕСКОЕ). Стекла легко образуются водными растворами многих солей и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла, полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического типа, с самыми разными видами химических связей - ковалентных, ионных, металлических и разнообразными физико-химическими свойствами.

Впервые человечество познакомилось с природным стеклообразным веществом - обсидианом (см. ОБСИДИАН) - в доисторические времена. Как искусственный материал стекло впервые открыто в Египте ок. 4000 до н. э. На протяжении тысячелетий люди, используя различные добавки, добились большого разнообразия классов и разновидностей стекол. До XIX в. стекло применялось главным образом в изготовлении предметов утилитарного назначения и художественного стекла (см. ХУДОЖЕСТВЕННОЕ СТЕКЛО). В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами М. В. Ломоносова (см. ЛОМОНОСОВ Михаил Васильевич) и Д. И. Менделеева (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович). Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. Заслугой Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO₂ и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное-неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.

Структура стекла

Рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO₄ (атом кремния, окружен четырьмя атомами кислорода), и отражают ближний порядок в структуре стекла. Рентгеновские и нейтронографические исследования показали, что наличие неупорядоченной сетки подтверждается применительно к структуре однокомпонентных стекол. В бездефектном кварцевом стекле существуют только мостиковые атомы кислорода. Для стекол, содержащих два или более компонентов, характерна химическая неоднородность. При введении в SiO₂ оксида натрия в результате взаимодействия оксидов, несмотря на сохранение координации атомов кремния относительно кислорода, непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-O-Si, соединяющих тетраэдры между собой.

Состав и свойства стекол

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO₂, В₂O₃, GeO₂, P₂O₅. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO₂) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных).

Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ2,3 г/см³) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см³.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м²) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO₂ и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок.

Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ 400°С, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Производство

Сырьем для изготовления стекла служат кварцевый песок SiO₂, сода Na₂CO₃, поташ K₂CO₃, известняк CaCO₃, доломит CaCO₃^.MgCO₃, сульфат натрия Na₂SO₄, бура Na₂B₄O₇, борная кислота H₃BO₃, сурик Pb₃O₄, полевой шпат Al₂O₃^.6SiO₂^.K₂O и др. Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают. Шихта, как правило, содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от целей дальнейшего использования стекла, окислители, красители, обесцвечиватели, осветлители, глушители, восстановители и окислители, ускорители варки или иные добавки. Красители придают стеклу нужный цвет. Для этого во время плавки в стеклянную массу добавляют окислы металлов. Например, железо сделает прозрачный материал голубовато-зеленым или желтым, марганец - желтым или коричневым, хром - травянисто-зеленым, уран - желтовато-зеленым (так называемое урановое стекло), кобальт - синим (кобальтовое стекло), коллоидное серебро - желтым, медь - красным. Полученную таким образом шихту загружают в стекловарочную печь. После этого шихту расплавляют при высокой температуре. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при температурах от 1200 до 1600°С в течение продолжительного времени - от 12 до 96 ч. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (H₂O, CO₂, SO₃) из нее удаляются, а оставшиеся химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая идет на выработку листового стекла или стеклянных изделий. Стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия при этом обладают невысокой механической прочностью.

В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стекломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие температурам текучести Т_т и стеклования Т_с. При температурах выше Т_т у стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состояния. Вязкость различных стекол при температуре Т_т примерно одинакова и равна 108 Па.с. Температуре стеклования Т_с, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 1012 Па.с. Интервал температур между Т_т и Т_с называют интервалом размягчения, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Т_с=400-600^оС, а Т_т=700-900^оС, т. е. интервал размягчения составляет несколько сотен градусов. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, так как в этом случае легче отформовать изделия. Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу с целью устранения возникшего при неравномерном остывании напряжения.

Если в древности варка стекла осуществлялась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5-7 см, то в настоящее время для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава применяют шамотные горшки больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков, горшковые печи применяют для получения относительно небольшого количества стекла с точно выдержанным составом. В крупном производстве применяют ванные печи. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца. В таком режиме некоторые стекловаренные печи работают до пяти лет. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливают к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагревают сжиганием природного газа или мазута.

Силикатное стекло

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим, оптическим, механическим свойствам можно разделить на:

- бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чистое кварцевое стекло. Стекла данной группы обладают высокой устойчивостью к нагреву, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации;

- щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа состоит из двух подгрупп: натриевые и калиевые или калиево-натриевые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Они отличаются пониженной устойчивостью к нагреву, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства: снижается удельное сопротивление, возрастают диэлектрические потери;

- щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых оксидов (например, силикатно-свинцовые или бариевые).

Электропроводящие прозрачные покрытия

Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Электропроводящая пленка (толщиной 0,5 мкм), например, может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла до температуры 500-700 °С. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см². После покрытия пленки тонким слоем люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося элемента (с голубым, зеленым, желтым свечением). При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких - боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели - хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда. Кроме того, в качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла.

Электротехнические изделия

Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов (см. РЕЗИСТОР).

Устойчивость к радиоактивности

Стекло, устойчивое к радиоактивному излучению, получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских лучей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту добавляют 0,25-1,5% окиси церия. Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной массой 6200 кг/м³, содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.

Светочувствительные стекла

В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Например, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см². Стекла этого типа используются для изготовления световых табло и элементов светового декора, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции (см. ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ) или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

Пористые стекла

Варьирование химического состава стекол, режимов отжига и последующей обработки разными растворителями позволило получать стекла с размером пор от нескольких десятков до 1000 ангстрем. Пористые стекла широко применяются как адсорбенты и как «молекулярные сита», которые пропускают мелкие молекулы и не пропускают более крупные. Молекулярные сита были использованы, например, при получении противогриппозных вакцин. При введении в поры каких-либо неорганических соединений и последующей термообработке при 1000 - 1200^оС получаются разнообразнейшие материалы, называемые импрегнированными кварцоидами. Они представляют собой массивное, во многих случаях совершенно прозрачное стекло, в котором уже нет пор. Это стекло обладает особыми свойствами, определяемыми составом введенных в поры веществ.

Оптические стекла

Значительную долю в производстве оптического стекла составляет оптическое стекло со специальными свойствами:

- лазерное стекло на силикатной и фосфатной основе с различными концентрациями активатора, позволяющее создавать твердотельные квантовые генераторы, которые используются в научных исследованиях, медицине, специальных дальномерах и прицелах;

- бескислородные или халькогенидные стекла для инфракрасной области спектра, применяются в оптических и полупроводниковых системах. Созданы особо чистые высокооднородные стекла, которые применяются в рентгеновских установках для защиты от излучения, используются в создании оптических систем для микролитографии, и позволяют получить микросхемы с разрешающей способностью менее микрона и обеспечить цветопередачу ТВ-систем;

- на основе стекловолокна изготавливают волоконно-оптические элементы для передачи света и изображения. Применяются в космических аппаратах, военной технике, цветном телевидении, медицине, приборах ночного видения.

Фотохромные стекла

Фотохромными называются стекла, изменяющие окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами-«хамелеонами», которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B₂O₃, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди Cu₂O. При освещении в результате химической реакции выделяется атомарное серебро, что приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди играет роль своеобразного катализатора. При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) г-лучами нейтронами и в меньшей мере б-, и в-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образованием ионов, которые играют роль «цветовых центров». При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.

Халькогенидные стекла

Считаются весьма интересной и перспективной в практическом отношении группой веществ, сочетающих в себе свойства стекол и кристаллических тел полупроводников. Известны они очень давно. Например, одно из первых упоминаний о такого рода стеклах относится еще к 19 в. (стекло состава As₂S₃). Однако как определенный класс стекол они стали изучаться лишь в 1970-х гг., когда было установлено, что сплавы халькогенидов - сурьмы, мышьяка и таллия - образуют обширную область стеклообразного состояния. Халькогенидные стекла могут быть получены на основе самых различных сочетаний. В совокупности они представляют весьма обширную группу стекол, обладающих весьма разнообразными физико-химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. Электропроводность халькогенидных стекол в зависимости от состава может находиться в границах 10-14-10^-1ом^-1·см-¹, т. е. быть выше электропроводности многих известных кристаллических проводников. Изучение электрических свойств этой группы веществ показало, что по ряду признаков (температурная проводимость, большое значение термоэлектродвижущей силы, и особенно внутренний фотоэлектрический эффект) они являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости. Соединения такого типа в последние годы стали применять в переключающих устройствах, нелинейной оптике и в качестве стеклообразующих полупроводников.

На основе стекол также получают: стеклокерамический материал - ситалл (см. СИТАЛЛЫ), ячеистый материал пеностекло (см. ПЕНОСТЕКЛО), триплекс (см. ТРИПЛЕКС), и ряд других материалов.

Составить слова из слова стекло неорганическое